Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Изменчивость параметров карбонатной системы в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Изменчивость параметров карбонатной системы в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Дальневосточное отделение Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева

На правах рукописи

пипко

Ирина Ивановна

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВ КАРБОНАТНОЙ СИСТЕМЫ В НРИБРЕЖНО-ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНЕ МОРЕЙ ВОСТОЧНОЙ АРКТИКИ

Специальность 25.00.28 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Владивосток 2005

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук

Научный руководитель - кандидат географических наук

И.П, Семилетов

Официальные оппоненты - доктор географических наук,

профессор В В. Плотников, Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН

- кандидат географических наук, доцент Л.Н. Василевская, Дальневосточный государственный университет,

Институт окружающей среды

Ведущая организация - Институт океанологии

им. П.П. Ширшова РАН

Защита состоится 24 июня 2005 г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д005 017.02 в Тихоокеанском океанологическом институте им В.И. Ильичева ДВО РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТОЙ ДВО РАН

Автореферат разослан 23 мая 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета к.г.н. ¿^-^ ф.ф. Храпченков

Ямб-*

Л4&Я90

4ФИ

з

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние десятилетия научной общественностью активно ведется дискуссия о «климатических изменениях» и «парниковом эффекте» Среди так называемых «парниковых газов» (двуокись углерода, водяной пар, метан, оксид азота, озон), поглощающих инфракрасную часть солнечной радиации и играющих определяющую роль в формировании климата Земли, углекислый газ является важнейшим. Антропогенная составляющая роста атмосферного СОг накладывается на естественную климатическую изменчивость в содержании этого газа, характерную для межледниковых эпох, что приводит к нарушению природного цикла углерода и проявляется в виде глобального потепления климата. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос о механизме формирования планетарного максимума СОг в атмосфере, который находится не над средними широтами Северного полушария, где наблюдается максимальная антропогенная активность, а смещен в зону Арктики/Субарктики. Арктический регион наиболее подвержен климатическим изменениям - ожидаемое повышение зимних температур воздуха над Арктическим бассейном к концу 21 века составляет 10-12°С. Это приведет к катастрофической деградации мерзлоты и расконсервации большого количества захороненного в ней органического вещества. И если роль наземных экосистем высоких широт как значимых поставщиков СОг в атмосферу достоверно установлена, то вклад арктических морей и Северного Ледовитого океана (СЛО) в целом остается неисследованным Шельфовые арктические моря, занимающие 70% акватории СЛО, в летний «открытый» период благодаря сезонной продуктивности и низкой температуре воды являются потенциальными резервуарами для избыточного атмосферного СО2. Но в некоторых прибрежных районах СЛО нами обнаружено значительное пересыщение поверхностных вод углекислым газом относительно атмосферы. Результаты исследований показывают, что необходимо детальное изучение роли морей Восточной Арктики в региональном цикле углерода и оценка морских акваторий как возможных стоков или источников углекислого газа для понимания механизма формирования атмосферного максимума СО2 и его сезонной изменчивости. Карбонатная система (растворенный в воде углекислый газ, находящийся в равновесии с угольной кислотой и продуктами ее диссоциации) - основная буферная система океана, которая, отражая процессы, происходящие в живой и неживой его части, в то же время штияет на многие химические и

биологические равновесия, формы

химических

элементов, а также на направление и величину потоков СО2 между океаном и атмосферой Выполненные до настоящего времени оценки потоков СО2 в системе океан-атмосфера для Восточной Арктики основываются на расчетах, проведенных с большой степенью осреднения, что вносит существенные погрешности в полученные величины Вследствие важности и недостаточной изученности (исследования цикла углерода на арктическом шельфе носят эпизодический характер) динамика карбонатной системы (КС) в арктических морях представляет особый научный интерес

Целью работы является исследование особенностей динамики карбонатной системы и оценка потоков СО2 через границу океан-атмосфера в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики в летне-осенний сезон

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

- исследование методических основ КС; -исследование региональных особенностей поведения КС;

- выявление процессов, контролирующих изменчивость карбонатных параметров в морях Восточной Арктики;

-исследование карбонатного равновесия в речных водах (на примере р Лены);

- количественная оценка потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера для исследуемых морей в летне-осенний сезон.

Изучались три района шельфа Северного Ледовитого океана: 1) юго-восточная часть моря Лаптевых, гидрологический режим которого определяется в большой степени влиянием речного стока, 2) шельф Чукотского моря, чей режим определяется притоком тихоокеанских вод и 3) прибрежная часть Восточно-Сибирского моря, занимающего «транзитное положение» между морями Лаптевых и Чукотским, гидрологический режим которого определяется, главным образом, взаимодействием вод этих морей.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность результатов определяется современным уровнем применявшегося аналитического оборудования и методов анализа, тщательным выбором используемых констант диссоциации угольной кислоты и алгоритмов расчета Полученные выводы не противоречат результатам и выводам других авторов, сделанным на основе анализа экспериментальных данных.

Научная новизна результатов. Динамика параметров КС в морях Восточной Арктики ранее не изучалась. Поэтому наши многолетние

исследования динамики КС вод морей Лаптевых (1997, 1999 и 2000 гг),

, * - -

Чукотского (1996, 2000, 2002 гг) и Восточно-Сибирского (2000, 2003, 2004 гг.) и определяющих ее процессов дают первое представление о миграции неорганического углерода и обмене СОг с атмосферой в Восточной Арктике. В процессе работы были внедрены новые модификации методов исследования КС: парофазный статический и динамический газохроматографический анализ с конверсией углекислого газа до метана в потоке водорода на Ni-катализаторе (Витенберг и др, 1991; Семилетов, 1992); измерение рН с использованием ячейки безжидкостного соединения (метод разработан в ТОЙ ДВО РАН П.Я. Тищенко с коллегами (Тищенко и др., 2001)); мембранный сенсор SAMI-CO2 для определения величины парциального давления СО2 (рСО?) in situ (со спектрофотометрическим окончанием). Это позволило впервые на современном уровне исследовать динамику КС в этом малоизученном регионе, где изменения природной среды под воздействием глобального потепления наиболее значимы. Нами впервые выполнены количественные оценки потоков углекислого газа между океаном и атмосферой в Восточной Арктике на основе измерений параметров КС морской воды и содержания ССЬ в приводном слое атмосферы

Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях и представлением докладов на отечественных и международных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах Российского Фонда Фундаментальных Исследований (1999-2005 гг.).

Практическое значение работы. Результатом этой работы является выявление источников/стоков СО2 в арктических морях, исследование влияния мезомасштабной и межгодовой изменчивости параметров КС на направление и интенсивность потоков углекислого газа между океаном и атмосферой, миграции неорганического углерода в системе суша-иельф, что необходимо для оценки роли морей Восточной Арктики в балансе атмосферного СОг и создания более достоверного сценария изменения климата. Защищаемые положения.

- Воды реки Лены являются источником углекислого газа в атмосферу в летне-осенний сезон.

- Юго-восточная часть моря Лаптевых, подверженная влиянию речного стока и термоабразии берегов, является источником СО2 в атмосферу.

- Шельфовые воды Чукотского моря, находящегося под влиянием трансформированных тихоокеанских вод, поглощают атмосферный СОг.

- Западная часть прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря является источником СО2 в атмосферу, а восточная - стоком для атмосферного

СС>2 Направление потока СОг через границу океан-атмосфера меняется в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров между распресненной шельфовой ч трансформированной тихоокеанской водами

Апробация работы. Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на международных и российских конференциях, важнейшими из которых являются международная арктическая конференция «Научные мосты между Северной Америкой и российским Дальним Востоком» (Владивосток, 1994), 21"* генеральная Ассамблея JAPSO (США, 1995); конференции AGU (США, 1996, 1998, 2004), объединенная Ассамблея IAMAS/IAPSO (Австралия, 1997); международные конференции PICES (США, 1998; Владивосток, 1999; Канада, 2001); 5°® Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству по исследованию системы река Лена - море Лаптевых (Санкт-Петербург, 1999); 13м Международная школа морской геологии (Москва, 1999); 2°е совещание «Экология пойм сибирских рек и Арктики» (Томск, 2000); 2м конференция Wadati по изучению изменения полярного климата (Япония, 2001); международное Рабочее совещание по изучению Глобальных изменений на Дальнем Востоке (Владивосток, 2002), международная научная конференция по программе ACSYS (Санкт-Петербург, 2003), 4°° международное заседание рабочей группы по программе исследования глобальных изменений в Арктике - GCCA (Япония,

2003), 5е* рабочее совещание по проекту Arctic Coastal Dynamics (ACD, Канада,

2004) По материалам диссертационной работы в декабре 2003 г проведен семинар в Международном научном арктическом центре Университета Аляска, Фэрбанкс.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 47 печатных работах.

Фактический материал. Данная работа выполнялась в рамках национальных проектов РФФИ, ФЦП «Мировой океан» и «Интеграция», Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (программа №13 «Изменение окружающей среды и климата, природные катастрофы»), международных проектов Национального Научного Фонда США (NSF) В диссертации использованы результаты научных экспедиций по р Лене (сентябрь 1995, 1998, 1999 гг), в море Лаптевых (сентябрь 1997, 1999 и 2000 гг ), в Чукотское море (сентябрь 1996, 2000 гг , конец августа - начало сентября 2002 г), в Восточно-Сибирское море (сентябрь 2000, 2003 и 2004 гг )

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами в период с 1991 по 2004 гг Автор принимал участие в организации и проведении четырех арктических экспедиций, определял параметры карбонатной системы на борту судна, занимался статистической обработкой и анализом полученных результатов, выполнял расчет и анализ изменчивости параметров КС и потоков СО2 (и О2) между океаном и атмосферой в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы Содержание работы изложено на 142 страницах, включая список литературы из 194 наименоааний, 53 иллюстрации, 9 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность изучения карбонатного равновесия в морях Восточной Арктики, определены цель и основные задачи исследований, раскрыта научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе подробно рассмотрен район исследований, показаны общие характеристики и выявлены региональные особенности гидрологического и гидрохимического режима морей Восточной Арктики. Проведен анализ степени изученности карбонатной системы вод СЛО в целом, а также морей Лаптевых (МЛ), Восточно-Сибирского (ВСМ) и Чукотского (ЧМ). Современное понимание пространственного и временного распределения величин потоков СОг в/из океана определяется комбинацией полевых данных, которые ограничены во времени и пространстве Долгопериодные измерения параметров КС были начаты в 70-х годах в рамках программы СЕОБЕСБ и позволили получить первые данные о КС вод Мирового океана (МО) Позже на основе 940000 измерений рС02 в поверхностных водах МО были построены карты среднемесячного распределения рС02 с пространственным осреднением 4° х 5°, а также рассчитаны потоки углекислого газа в системе океан -атмосфера с использованием среднемесячной скорости ветра. При этом роль СЛО, как возможного района стока (или источника) атмосферного СОг, в глобальном бюджете углерода не учитывалась Это связано с тем, что большая часть СЛО круглогодично покрыта льдом Предполагается, что «ледяная шапка» ограничивает потоки СО2 в системе океан-атмосфера, хотя в какой степени - остается неизвестным Результаты немногочисленных исследований

показывают, что перенос СО? через морской лед может играть важную роль в сезонной изменчивости концентрации атмосферного СОг в арктическом регионе (воэтк е1 а1, 1976, БетПеЮу еХ а1, 2004) Таким образом, в отличие от систематического исследования КС вод МО в низких и средних широтах, изучение Арктического бассейна носит эпизодический характер, как по районам исследований, так и по количеству измерений и набору определяемых параметров КС. Все известные оценки потоков СО2 в системе океан-атмосфера ддя Арктического бассейна были выполнены на основе среднемесячных или среднесезонных обобщений результатов наблюдений. Так, расчет величин рСОг был проведен Ляхиным и Русановым (1983) по осредненным в каждой 5-градусной трапеции значениям рН, температуры, солености и общей щелочности При этом поля рН были восстановлены по сезонному распределению кислорода, что не могло не внести значительную погрешность в рассчитанные осредненные величины потоков СО2. Среднемесячные оценки потоков СО2 в системе океан-атмосфера для морей высоких широт с осреднением 4° х 5° были проведены также Такахаши с соавторами (ТакаЬаБЫ й а1., 1997) Но если для морей низких и средних широт эти оценки базировались на приблизительно 250000 измерений рССЬ, то для морей Восточной Арктики величины рСОг были получены методом интерполяции данных для акваторий, смежных с арктическими морями, с использованием уравнения горизонтального адвекционно-диффузионного переноса. Кроме того, использование осредненных величин рССЬ и скорости ветра для открытой акватории шельфовых арктических морей, где наблюдаются высокие пространственно-временные амплитуды этих параметров (Маккавеев, 1994, Pipko е1 а1., 2002; Пипко и др., 2005; БетНеЮу е1 а1., 1996), также может привести к значительным ошибкам в рассчитанных величинах потоков СО2 в системе океан-атмосфера Поэтому основное внимание специалистов должно быть сосредоточено на изучении с высокой временной дискретностью процессов регионального масштаба Анализ литературных данных показал, что динамика КС и обмен С02 в морях восточного сектора СЛО практически не изучены Вопрос о целесообразности использования той или иной пары определяемых параметров КС решается каждым исследователем индивидуально - в зависимости от поставленных задач, региональных особенностей объекта исследования, а также доступности того или иного метода анализа Поэтому в первой главе была рассмотрена теория КС, проанализированы методы определения и расчета карбонатных параметров, показана значимость правильного выбора констант диссоциации угольной

кислоты при расчетах Сделан вывод о том, что использование констант Мирбаха для расчета рССЬ является предпочтительным (как для пары рН -общий неорганический углерод (Ст), так и для рН - общая щелочность (Ат)).

Во второй главе приведено описание и обоснование используемых в работе материалов и методов исследования. Для анализа динамики карбонатной системы в речных водах определялись параметры рН и Ст, которые были выбраны с целью исключения погрешности, вносимой в расчет карбонатного равновесия органической и другой титруемой некарбонатной щелочностью; в морских водах определялись параметры рН и Ст или рН и Ат. В речных водах величины рН определялись в шкале NBS, в зоне смешения и морских водах - в шкалах NBS, SWS и Total. В соответствии с используемой шкалой рН для расчета карбонатного равновесия выбирались алгоритмы для констант диссоциации угольной кислоты. Исходя из проведенного анализа существующих способов оценки коэффициентов обмена СО2 между океаном и атмосферой; для расчета потоков С02 (и О2) была использована, как наиболее достоверная, кубическая параметризация Ваннинкова (Wanninkhof and McGillis, 1999), связывающая скорость газопереноса со скоростью ветра.

В третьей главе представлен анализ пространственно-временной изменчивости параметров КС вод юго-восточной части моря Лаптевых. Все явления, происходящие в этом море, в той или иной степени связаны с колебаниями объема стока р. Лены, крупнейшей реки Восточной Сибири. Свыше 85% ленских вод поступает в МЛ через протоки восточной части ее дельты, поэтому мы изучали юго-восточную часть моря, которая наиболее подвержена влиянию речного стока. Исследования речных вод показали, что р. Лена в летне-осенний сезон являлась источником СО2 в атмосферу: ее воды были в значительной степени пересыщены углекислым газом относительно его равновесной концентрации Несмотря на значительное охлаждение речных вод при движении на север (в сентябре 1995 г. разница температуры поверхностного слоя воды от г Якутска до зал. Неелова составила 6°С), величины рС02 на этом участке реки не снижались благодаря поступлению С02 из почв и разложению лабильной фракции органического вещества (ОВ) непосредственно в речных водах Об интенсивных процессах деструкции свидетельствовала также низкая степень насыщения вод кислородом: в сентябре 1999 г она изменялась от 89,9 до 95,2 %. Сравнение результатов экспедиций 1995, 1998 и 1999 гг. продемонстрировало значительную межгодовую изменчивость содержания общего минерального и растворенного органического углерода, а также величины рН в речных водах. Это

определялось динамикой речного расхода' с его увеличением росла величина Сорг и падали значения Ст и рН Мы связываем это с более интенсивным поступлением в речную воду кислых компонентов почв, ОВ (в том числе, бактерий) и снижением вклада грунтового питания в общий сток реки при росте расхода. Наши расчеты показали, что за сентябрь воды реки Лены вносят в море Лаптевых, в среднем, около 106 т углерода.

Воды юго-восточной части МЛ также были пересыщены углекислым газом, что объяснялось влиянием речного стока и разложением древнего лабильного органического вещества, поступающего на шельф в результате береговой эрозии Максимальные величины рСОг были обнаружены в придельтовой части моря (до 900 мкатм) и вблизи разрушающегося мыса Буорхая (до 2600 мкатм), сложенного ледовым комплексом с высоким содержанием ОВ. Низкая первичная продуктивность вод, обусловленная, в первую очередь, высокими концентрациями взвешенного материала и окрашенной фракции растворенного ОВ, а также относительно низкими концентрациями в реке биогенных элементов (за исключением кремния), не оказывала значимого влияния на динамику КС вод юго-восточной части МЛ в исследуемый сезон. Отепляющий эффект речных вод, проявляющийся как в термодинамическом повышении рСОг вследствие увеличения температуры, так и в интенсификации береговой эрозии, также способствовал перенасыщению шельфовых вод углекислым газом.

Аномально высокие концентрации СО2, измеренные в водах вблизи разрушающегося ледового комплекса мыса Буорхая (табл. 1), определялись лабильностью захороненного в мерзлоте ОВ, и его способностью вовлекаться в современный биогеохимический цикл (Семилетов, 1999; Оио е1 а1., 2004)

Таблица 1

Распределение средних величин гидрохимических параметров на полигоне в м Лаптевых и разрезе вблизи м. Буорхая (сентябрь 1999 г )

Параметр, рНш 5,ги, 02, % Шз'+Шз", Р04'\ Ст, рС02,

район 1ЧВ5 мкмоль л"' мкмоль л*1 ммоль л'1 мкатм

водный столб

полигон 7,72 90,3 1,67 0,43 1,46 732

разрез 7,30 56,7 6,95 0,73 2,07 2442

поверхность

ПОЛИГОН 7,78 95,5 0,89 0,37 1,40 570

разрез 7,31 68,0 6,20 0,73 1,96 2099

дно

полигон 7,61 80,9 2,76 0,61 1,74 980

разрез 7,21 45,3 7,70 0,72 2,19 2784

На разрезе у мыса Буорхая также были обнаружены наибольшие для исследуемой акватории концентрации неорганического азота и фосфора как в поверхностном, так и в придонном слоях, а степень насыщения вод кислородом была минимальна для исследуемого региона (табл. 1). Наблюдаемое распределение перечисленных выше гидрохимических параметров свидетельствовало о значимой роли разложения древнего ОВ в формировании биогеохимического режима прибрежных вод шельфа Восточной Арктики. Изотопные исследования ОВ поверхностных донных отложений (813С), отобранных в дельте р Лены (залив Неелова) и юго-восточной части МЛ, включая пролив Дм. Лаптева, где влияние речного стока для исследуемой акватории наименее значимо, подтверждают терригенное происхождение ОВ и определяющую роль речного выноса и береговой эрозии в биогеохимии изучаемого региона (Киселев и др., 2000). Таким образом, динамика параметров КС вод юго-восточной части МЛ в летне-осенний сезон обуславливалась рядом факторов, приобретающих в зависимости от географического положения первостепенное значение: речным стоком, эрозией берегов, а также степенью стратификации вод. Потоки СОг в системе океан-атмосфера были рассчитаны с использованием кубической параметризации (Wanninkhof and McGillis, 1999), связывающей скорость газопереноса со среднесуточной скоростью ветра, взятой из данных ре-анализа OittD://www.cdc.noaa.gov). Осредненная для 1997 и 1999 гг. величина потока СО2 в атмосферу в юго-восточной части МЛ составила 4,81 ± 4,69 ммоль м"2 сутки"1.

В четвертой главе изложены результаты изучения региональных особенностей динамики КС в Чукотском море и процессов, ее контролирующих Акватория Чукотского моря характеризуется сложной гидрологической ситуацией: через Берингов пролив поступают анадырская, беринговоморского шельфа и аляскинская прибрежная воды. При этом первые две имеют относительно близкие химические и гидрологические характеристики (Coachman and Aagaard, 1988) и на небольшом отрезке к северу от пролива происходит их смешение, однако отличие этих вод от малосоленой аляскинской прибрежной воды сохраняется (Коучмен и др., 1979). Кроме того, вдоль сибирского побережья возможно проникновение на юг моря прибрежной воды из ВСМ, которая характеризуется более низкими величинами температуры и солености по сравнению с водами, поступающими через Берингов пролив Исследования вод ЧМ были выполнены трижды - в сентябре 1996 г в восточной части, в сентябре 2000 г и конце августа - начале сентября 2002 г в западной части моря В исследуемый сезон морские воды были

значительно недосышены СОг относительно его содержания в атмосфере Характерной особенностью распределения парциального давления СОг в поверхностных водах восточной части моря являлось уменьшение величин рСОг с юга на север (рис 1а) Основным фактором, обуславливающим такое пространственное распределение, было снижение температуры воды от Берингова пролива к северу (рис. 16). Влияние биологических процессов проявлялось, главным образом, в прикромочной зоне, что связано с известным феноменом увеличения первичной продуктивности у кромки льда (Alexander andNiebauer, 1981).

Отметим, что в прибрежной зоне севера Аляски было обнаружено пятно высоких значений рС02 (рис. 1а), которое сформировалось за счет апвеллинга придонных вод, обогащенных СО2 и биогенами, вызванного интенсивной ветровой деятельностью (Pipko et al., 2002).

Рисунок 1 - Распределение значений рС02, мкатм (а) и температуры, °С (б) в поверхностном слое Чукотского моря (сентябрь 1996 г.)

По результатам исследования пространственной изменчивости параметров КС на акватории 4M были идентифицированы два «пятна» низких значений рСОг (148-176 мкатм) в поверхностном слое - в центральной и юго-западной частях изучаемого района. Они связаны с зонами квазистационарных циклонических круговоротов вод (Weingartner et al., 1999) и определяемыми ими областями повышенной продуктивности (так называемая «северная ветвь пояса высокой продуктивности» (Springer and McRoy, 1993)). Подстилающие их придонные воды характеризовались максимальными для района исследований концентрациями СОг (величины рС02 достигали 1700 мкатм) и биогенных элементов и минимальными концентрациями кислорода (степень недосыщения вод Ог снижалась до 45 %)

В сентябре 1996 г в восточной части ЧМ исследовалась мезомасштабная временная изменчивость параметров КС. Разрезы через Берингов пролив и вдоль российско-американской границы (по меридиану 168,8° з.д.) были выполнены дважды - в начале (1-2) и конце (27) сентября 1996 г. Рост величин рС02 (от 307 до 364 мкатм) в поверхностном слое на разрезе через Берингов пролив сопровождался значительным снижением температуры (от 7,9°С до 3,7°С) и увеличением солености (от 31,04 до 32,21 %о), что позволило сделать вывод о том, что наблюдаемое увеличение значений рССЬ определялось не столько биологическим или термическим процессами внутри одной и той же водной массы (во время обеих съемок воды в проливе были перемешаны, концентрации хлорофилла-а были практически равны, а величины А011 выросли незначительно), а, в первую очередь, изменением гидрологической ситуации На меридиональном разрезе от Берингова пролива до 71° с.ш. за время, прошедшее между съемками, также наблюдался рост величин рСОг в поверхностном слое, что определялось, главным образом, динамическими причинами (изменением ареала распространения анадырской/ беринговоморской и аляскинской прибрежной вод). Исключение составляло «пятно повышенной продуктивности» (67-68° с.ш.), где было значимо влияние биологического фактора Концентрации хлорофилла-а в поверхностном слое этой области за 26 дней снизились в три раза по сравнению с началом сентября. Наряду с увеличением значений рСОг величины АОи изменились от отрицательных (- 14,9 мкмоль л"1) до положительных (1,1 мкмоль л'1), что свидетельствовало об интенсификации деструкционных процессов. Анализ распределения рСОг в придонном слое на этом разрезе также показал значительный рост величин рСОг между двумя съемками, особенно в высокопродуктивной области 67- 68° с.ш.. в начале сентября придонные воды были незначительно пересыщены двуокисью углерода (рССЬ = 439 мкатм), в то время как в конце сентября парциальное давление СО2 достигло значения 943 мкатм при практически неизменных температуре и солености. Как показало наше исследование, главным образом, динамика вод привела к существенному мезомасштабному изменению параметров КС, а минерализация ОВ обусловила резкое (более, чем в два раза) увеличение значений рССЬ в придонном слое в течение трех с половиной недель.

Для сравнения межгодовой и мезомасштабной динамики параметров КС был проведен анализ гидрохимических и гидрологических параметров на меридиональном разрезе, выполненном от Берингова пролива на север: в 1996 г работы на юге этого разреза (от 66° до 68,3° с ш , 168,8° з.д.) проводились

дважды с интервалом в 26 дней - 1-2 сентября и 27 сентября (НИС «Альфа Хеликс»), 25-26 августа 2002 г исследования на этом же разрезе (от 66,3° до 68,5° с.ш., 169,5° з.д.) были выполнены на НИС «Профессор Хромов» Значения гидрохимических и гидрологических параметров для данного разреза представлены в таблице 2

Таблица 2

Распределение гидрохимических и гидрологических параметров в южной части меридионального разреза в Чукотском море в летне-осенний период 1996 и 2002 гг

Т 8 О, Ат РО„5 ИОэ N0}' рНзж! Ст рСО,

"С %о % мг-экв кг' мкмоль л' мкмоль л' мкмоль л1 1П 81Ш ммоль кг' мкатм

2002 г. 4,07 32,30 102,2 2,319 1,01 11,8 5,06 8,165 2,126 318

26 авг ±1,81 ±0,52 ±17,74 ±0,024 ±0,70 ±12,67 ±6,45 ±0,181 ±0,085 ±161

(п=43)

1996 г. 5,05 31,98 93,5 2,234 1,55 23,00 4,78 8,099 2,077 339

1-2 сент. ±1,25 ±0,49 ±5,7 ±0,016 ±0,51 ±9,26 ±6,41 ±0,089 ±0,054 ±86

(п=45)

1996 г. 4,77 31,53 87,6 2,235 2,01 28,15 6,16 8,049 2,102 391

27 сент ±0,70 ±0,53 ±13,6 ±0,020 ±0,60 ±8,90 ±5,33 ±0,1 ±0,050 ±127

(п=42)

Полученные нами данные свидетельствуют о том, что мезомасштабные и межгодовые изменения сопоставимы по величинам (табл 2), а в некоторых случаях изменения, произошедшие за несколько недель, даже более значимы по сравнению с межгодовыми.

Сравнение карт распределения гидрохимических и гидрологических параметров на всем протяжении меридиональных разрезов в 1996 и 2002 гг. (рис. 2, 3) позволило сделать заключение о том, что в конце августа 2002 г нами была исследована «бблыпая порция» более продуктивных вод анадырского происхождения (в отличие от аляскинских прибрежных вод). Это могло быть обусловлено характером циркуляции воздушных масс над Арктическим бассейном и вызванным им смещением стрежня Тихоокеанского течения В конце августа - начале сентября 1996 г над акваторией Чукотского моря преобладали антициклонические процессы с ветрами северной четверти (преимущественно северо-восточными), усиливающими перенос вод в западном и юго-западном направлении, а в конце августа 2002 г были развиты циклонические процессы, сопровождающиеся западными и северо-западными воздушными потоками, смещающими ось Тихоокеанского течения на восток

Впервые были выполнены количественные оценки потоков СОг в системе океан-атмосфера для открытой акватории Чукотского моря на основе измеренных параметров карбонатной системы Полученные результаты

приведены в таблице 3. В таблицу включены также величины потоков кислорода для исследуемой акватории

Таблица 3

Распределение измеренных параметров Т, Э в поверхностном слое, скорости ветра и рассчитанных величин ДрСОг, АОи, потоков СО2 и 02 на акватории Чукотского моря в летне-осенний период 1996, 2000 и 2002 гг.

Год, т, °с S.X. U, м ApCOj, AOU, Fcoi, ммольм сутки"1 F02,

параметр сек 1 мкатм мкмоль л"1 ммоль м сутки"1

1996 г 2,76 30,60 7,42 -118 4,3 -11,0 -8,5

(п = 110) ±3,11 ± 1,21 ± 1,66 ± 78 ± 14,3 ± 10,5 ±22,8

2000 г 2,36 3039 5,13 -161 -7,0 -7,7 7,3

(п = 20) ± 1,98 ± 1,75 ±2,42 ±30 ± 5,7 ±8,3 ±8,8

2002 г 6,26 30,77 7,61 -137 -12,3 -17,0 31,9

(п = 32) ± 1,24 ±2,05 ±2,00 ±44 ±27,5 ± 12,7 ±54,3

Рассчитанные величины потоков показали, что в конце августа - сентябре 1996, 2000 и 2002 гг. акватория Чукотского моря была стоком для атмосферного углекислого газа (табл. 3). Максимальная средняя величина потока СО2 в воду была обнаружена в 2002 г. в экспедиции на НИС «Профессор Хромов», а минимальная - в экспедиции 2000 г. на ГС «Николай Коломейцев» (табл 3) Как видно из таблицы 3, термодинамический фактор (ДрС02 = рСОг"" - pCCV™, где рСС^-парциальное давление СО2 в морской воде, а рСОг"™ - в атмосфере) определял, в основном, направление потоков, а их абсолютные величины зависели в большей степени от скорости ветра во время исследований Так, наибольшие отклонения от равновесных с атмосферой величин рС02 были обнаружены в сентябре 2000 г., а из-за относительно низких скоростей ветра средний поток С02 в воду в этот период оказался наименьшим для трех экспедиций (табл. 3).

Максимальные градиенты рСОг между морской водой и атмосферой были обнаружены на западе ЧМ (экспедиции 2000 и 2002 гг.). Мы связываем это с более интенсивными процессами фотосинтеза в западной части моря, «подпитываемой» биогенными элементами, поступающими с анадырской/ беринговоморской водой Восточная часть ЧМ находится под воздействием менее продуктивных вод аляскинской ветви беринговоморского течения (Полякова, 1997; Murata and Takizawa, 2003). Кроме того, в восточной части моря, где процесс очищения ото льда протекает раньше, в этот период фотосинтетическая активность была уже значительно снижена Косвенно это подтверждается распределением величин AOU в поверхностном слое - они были отрицательны в западной части моря и положительны в восточной (табл.

Рисунок 2 - Распределение гидрологических и гидрохимических параметров на меридиональном разрезе в Чукотском море, 1996 г

6?>М 7(ИЧ 71°1Ч

67^ «НЧ б^ 71°!Ч

рНт зйи

670N в™ 6У>Н 7(Р1Ч АТ, ммоль/кг

67°1М 6Н°!Ч бТО 7(РМ 71°М рС02, мкатм

67°М 68°У №т 7 ОТЧ 7ТО &03, мкмоль/л

«ТО 61ИЧ «ЭТЧ 71°И

02, %

67^ (Й1^ 70РМ 71ЧЧ

67П 68^М №П* 7(ИМ 71ЧЧ

Рисунок 3 - Распределение гидрологических и гидрохимических параметров на меридиональном разрезе в Чукотском море, 2002 г

Соответственно, воды западной части моря были пересыщены кислородом и потоки О: были направлены в атмосферу, а восточной - недосыщены и поток кислорода был направлен в воду (табл 3) Однонаправленность потоков углекислого газа и кислорода в сентябре 1996 г определялась, наряду со снижением фотосинтетической активности, более интенсивным охлаждением поверхностных вод по сравнению с 2000 и 2002 г.

На примере Чукотского моря показано, что осенью акватории арктических морей, удаленные от влияния речного стока и районов с высокими скоростями термоабразии берегов, являются значимым региональным стоком для атмосферного СОг- В осенний период открытая акватория ЧМ за месяц может адсорбировать из атмосферы в среднем 2,4 ■ 1012 г углерода. Средняя величина потока СОг в ЧМ на единицу площади изменялась от 7,7 до 17,0 ммоль м"2 сутки'1, что более, чем на порядок превышало среднюю для Мирового океана величину инвазии, составляющую 0,3-0,8 ммоль м"2 сутки'1 По минимальным оценкам, за безледный период акватория ЧМ может поглотить из атмосферы 9,9- 1012 г С, что подтверждает его значимую роль в планетарном бюджете СО}.

В пятой главе исследуется динамика КС вод прибрежной части Восточно-Сибирского моря, занимающего транзитное положение между морями Лаптевых и Чукотским. Интенсивность распространения на его акватории вод различного генезиса тесно связана с атмосферной циркуляцией (Антонов, 1957), так как регион ВСМ характеризуется «нулевым контуром» атмосферной завихренности, разделяющим два основных крупномасштабных центра атмосферной циркуляции над СЛО - исландский минимум и арктический максимум (ОпиЬгепко, 2003). Исследования вод ВСМ, проведенные трижды - в сентябре 2000, 2003 и 2004 гг., показали, что характерной особенностью распределения парциального давления двуокиси углерода в поверхностных водах является снижение величин рС02 с запада на восток (рис. 4) со значительными пространственными флуктуациями, связанными с прямым влиянием речных вод и эрозионным сигналом. Распределение параметров КС определялось смешением распресненных речным стоком и обогащенных эрозионным материалом шельфовых вод западной части ВСМ и модифицированных вод тихоокеанского происхождения, поступающих из Чукотского моря. Воды западной части ВСМ характеризовались более высокими величинами рСОг, температуры, мутности и нормализованной щелочности (пАт), низкими значениями солености, рН и Ст, они, главным образом, были недосыщены кислородом (рис 4).

Дополнительным фактором, увеличивающим концентрацию С02 в поверхностном слое, являлось отсутствие стратификации вод в этой наиболее мелководной части ВСМ Воды восточной части, напротив, были более холодные, чистые, с низким рС02, высокими значениями рН и Ст и пересыщенные кислородом Недосыщение вод восточной части моря углекислым газом определялось как продукционными процессами, на что указывали высокие величины рН и концентрации кислорода, так и более низкой по сравнению с западной частью температурой воды. Отметим, что различный генезис вод на западе и востоке ВСМ подтверждался и распределением тяжелого изотопа кислорода (рис. 4).

Исследование межгодовой изменчивости параметров КС показало, что при сохранении генерального тренда снижения величин рС02 с запада на восток, степень насыщения вод углекислым газом значительно изменялась. Это зависело, главным образом, от гидрометеорологической ситуации, проявляющейся в интенсивности распространения вод различного генезиса на акватории ВСМ, скорости поступления в море эрозионного материала, а также от процессов нагрева/охлаждения вод. Минимальные для трехлетних исследований величины рС02 в поверхностных водах были обнаружены в сентябре 2000 г., когда трансформированные воды тихоокеанского происхождения имели наибольшее распространение на исследуемой акватории. В 2003 и 2004 гг. в ВСМ доминировали распресненные шельфовые воды, обогащенные С02.

Более значимое пересыщение поверхностных вод углекислым газом в 2004 г по сравнению с 2003 г было связано, главным образом, с возросшим речным стоком (в августе 2004 г сток реки Лены был на 29 %, а реки Колымы в июне-сентябре 2004 г на 34 % выше стока за аналогичный период 2003 г., http//www arctic noaa.gov/detect/) и более выраженным «эрозионным сигналом» (табл 4, рис 5) Это подтверждается распределением величин рН, нормализованной щелочности (рис 5) и содержания взвеси в поверхностном слое вод в сентябре 2003 и 2004 гг Низкая прозрачность вод определялась также интенсивной ветровой деятельностью, усиливающей перемешивание вод и поступление эрозионного материала в море. Так, интегральное содержание взвеси в зоне сравнения - от пролива Дм Лаптева до пролива Лонга - в 2004 г. было на 20 % выше по сравнению с 2003 г Межгодовая разница температуры воды могла обусловить увеличение рС02 не более, чем на 10 мкатм (табл 4).

Ишгираш Кшымя Нцмцра Комм

Рисунок 4 - Распределение температуры (Т, °С), солености (Б, %о), величины парциального давления СО? (рСОг, мкатм), нормализованной щелочности (пАт, мг-экв-кг"1), рНш „ы (ед рН), концентрации общего неорганического углерода (Ст, ммоль-кг'), концентрации кремния (ЭЮз, мкмоль-л"1), 5180 (%о), степени насыщения вод кислородом (%) в поверхностном слое воды, величин потоков СОг (Рсог, ммоль м"2 сутки ) между поверхностными водами и атмосферой на вдольбереговом разрезе от пролива Дм Лаптева до пролива Лонга в сентябре 2003 г

Для исследуемой акватории были рассчитаны потоки СО2 через границу океан-атмосфера (табл 4, рис 5) Для сравнения были выбраны съемки сентября 2003 и 2004 гг , как наиболее обеспеченные данными

Прибрежная часть ВСМ в летне-осенний сезон, в целом, может быть как значимым источником СО2 (2004 г ), так и находиться в близком к равновесию с атмосферой состоянии (2003 г) Различия в средних величинах потоков определялись разницей градиентов рС02 между океаном и атмосферой и более высокой скоростью ветра в 2004 (табл 4)

Таблица 4

Распределение измеренных гидрологических (повер (постный слой) и метеорологических параметров, рассчитанных величин ДрССЬ и потоков С02 в прибрежной части ВСМ (от пр. Дм. Лаптева до пр. Лонга) в сентябре 2003 и 2004 гг

Год, параметр Т, "С и, м сек ДрС02, мкатм Рс02, ММОЛЬ м"1 сутки"1

2003 г (п = 41) 2,31 ±0,96 18,95 ±3,88 4,01 ±0,79 40 ±65 1,0 ± 1,6

2004 г (а = 54) 2,79 ± 1,46 16,89 ±4,29 5,63 ± 1,86 188 ± 130 10,9 ± 12,6

Как отмечалось выше, во время экспедиционных работ в западной части моря наблюдалась эвазия, а в восточной части - инвазия СО2 (рис. 5). Смена направления потоков происходила в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров, характеризующих смешивающиеся распресненные шельфовые и трансформированные тихоокеанские воды.

Заключение

Таким образом, главные различия в гидрохимическом и гидрологическом режиме прибрежно-шельфовой зоны морей Восточной Арктики определяются влиянием трансформированных тихоокеанских вод (Чукотское море/восточная часть Восточно-Сибирского моря) или стока сибирских рек и термоабразии побережья (юго-восточная часть моря Лаптевых/западная часть ВосточноСибирского моря)

Проведенное исследование позволило выявить характерные особенности распределения параметров карбонатной системы этих морей в летне-осенний сезон, основной из которых является уменьшение величин парциального давления углекислого газа в поверхностных водах с запада на восток исследуемого региона и переход от пересыщения вод СО2 относительно его содержания в атмосфере в море Лаптевых к недосыщению в Чукотском море

2003 г.

22

рС02

пАТ

2.788

& г С

1404 1504 1704

1804 140° К

1504 1604 1704 1804

рНш|Щ|

ГС02

1 ^ 7------ 7.902

/ДС^

1

2004 г.

рС02

1504 1604 1794 1М4 1404

7------- 1.0

Ш

77 £

?............

1504 1604

пАТ

2.944

№

..........Ъ I

1404 150" К

1604 1704

1004 1404 1504 1604

1704 1М4

рНшИи

ГС02

7.757

1 ...........<

1404 150°Е

1604 1704

1604 1704

Рисунок 5 - Распределение величин рС02 (мкатм), пАт (ммоль л"'), рНШ5„и и РС02 (ммоль м"2 сутки"1) в поверхностном слое прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря в сентябре 2003 и 2004 гг На картах также показаны средние для района исследований значения данных параметров

В результате выполненного исследования получены следующие основные выводы

1 Установлено, что воды реки Лены в летне-осенний сезон являются поставщиком С02 в атмосферу, а также важным источником углерода (в минеральной и органической формах) в море Лаптевых и в Северный Ледовитый океан в целом Межгодовая динамика параметров карбонатной системы вод зависит от величины речного стока.

2 На основе совместного анализа динамики карбонатной системы и океанологических параметров исследуемая акватория морей Восточной Арктики разделена на два характерных района:

- юго-восточную часть моря Лаптевых/западную часть ВосточноСибирского моря, находящиеся под влиянием речного стока и термоабразии побережья (высокие значения рС02 и низкие величины рН, Ст.Ат);

- Чукотское море/восточную часть Восточно-Сибирского моря, где доминируют трансформированные высокопродуктивные тихоокеанские воды (низкие значения рС02 и высокие величины рН, Ст и Ат).

3 Установлено, что прибрежно-шельфовая зона арктических морей в летне-осенний сезон может являться как источником, так и стоком для атмосферного С02. На основе измерений параметров карбонатной системы рассчитаны потоки С02 через границу океан-атмосфера. Показано, что'

- акватория юго-восточной части моря Лаптевых является поставщиком С02 в атмосферу, средняя величина эвазии углекислого газа составляет 4,8 ммоль м"2сутки"';

- акватория Чукотского моря является значимым региональным стоком для атмосферного С02 Величина среднесуточного потока С02 в Чукотское море изменяется от 7,7 до 17,0 ммоль м"2 сутки"1, что более, чем на порядок превышает среднее значение инвазии С02, характерное для вод Мирового океана,

- прибрежная акватория Восточно-Сибирского моря является как источником (западная часть), так и стоком (восточная часть) для атмосферного С02 При этом осредненный поток углекислого газа направлен в атмосферу и изменяется от 1,0 до 10,9 ммоль м 2 сутки'1,

- изменение направления потока С02 между океаном и атмосферой в Восточно-Сибирском море происходит в области наибольших градиентов

гидрологических и гидрохимических параметров между распресненной шельфовой и трансформированной тихоокеанской водами.

Основные публикации по теме диссертации

1 Пипко И.И., Семилетов И П., Пугач СП О карбонатной системе вод ВосточноСибирского моря И ДАН. 2005 Т. 402, N 3 С 398-401

2 Pipko LL, Semiletov IР , Pugach S P Carbonate system dynamics in the East-Siberian region coastal zone // Report of 5th Arctic Coastal Dynamics International Workshop October 13-16, 2004, Montreal, Canada. 2005. P 89-93

3 Pipko LI, Semiletov I.P., Pugach S P Carbonate system dynamics in the East-Siberian Sea // Proceedings of an International Conference on the Arctic and North Pacific September 14-16, 2004, Vladivostok. Vladivostok : Dalnauka, 2004. P 17

4 Semiletov I., Shakhova N., Romanovsky V., Pipko LI Methane climate forcing and methane observations in the Siberian arctic land-shelf system // World Resource Review 2004 Vol. 16, N 4 P. 503-543.

5 Семилетов И.П, Савельева H И, Дударев О В , Пипко И.И., Пугач С П Исследования ТОЙ ДВО РАН на амеразийском шельфе Арктики // Вестник ДВО РАН 2003. N 2 С 7381.

6 Semiletov I, Dudarev О., Shin К.-Н., Pipko LL [et al ] Carbon cycle in the land-shelf system in the Arctic with a special eye for the importance of the East-Siberian Sea // Proceedings of the 4th international workshop on global change, November 6-7, 2003, Toyokawa, Aichi, Japan Toyokawa. 2003. P. 53-58.

7 Pipko LL, Semiletov I.P., Tishchenko P.Ya [et al ]. Carbonate chemistry dynamics in Bering Strait and the Chukchi Sea//Progress in Oceanography 2002 Vol 55, N1-2 P 77-94

8 Pipko LL, Semiletov IP Carbonate system of the northern water ecosystem 1992-1999 field research // Proceedings of the 2M Wadati Conference on Global Change and the Polar Climate March 7-9, 2001, Tsukuba, Japan. 2001 P. 224-227

9 Pipko LL, Semiletov I P., Christensen J P [et al ] On carbon cycling in the Chukchi Sea // Changes in the Atmosphere - Land - Shelf system in the Amerasian Arctic ' Proc of the Arctic Regional Center / ed. I.P. Semiletov. Vladivostok Dalnauka, 2001 Vol 3. P 117-126

10. Пипко И.И., Семилетов И.П. Парниковые газы в Арктике ' источники и стоки // Труды II Совещания «Экология пойм сибирских рек и Арктики» 24-26 ноября, 2000, Томск 2000 С 26-35

11 Пипко И.И., Семилетов И П., МакРой П О цикле углерода в системе река Лена-море Лаптевых // Гидрометеорологические и биогеохимические исследования в Арктике труды Арктического регионального центра / ред ИП Семилетов Владивосток Дальнаука, 2000 Т 2, ч 1 С 98-108

12 Semiletov IР , Savelieva N I, Weller G Е , Pipko LI. [et al ] The Dispersion of Siberian River Flows into Coastal Waters : Hydrological and Hydrochemical Aspects // The freshwater Budget of the Arctic Ocean NATO Meeting / NATO ASI Series / ed E L Lewis Dordrecht Kluwer Academic Publishers, 2000 P 323-366

13 Киселев В И , Игнатьев А В , Кияшко С И , Семилетов И П , Пипко И.И. Терригенное органическое вещество в отложениях шельфа Восточного сектора Арктики // ДАН 2000 Т 371, N2 С 220-222

14 Лучин В А, Варламов СМ, Семилетов ИП, Пипко И.И. [и др ] О межгодовой изменчивости в системе атмосфера-океан Берингово море // ДАН 1999 Т 368, N 1 С 111-115

15 Семилетов И П, Тищенко П Я, Христенсен Дж П, Пипко И.И., Пугач СП О карбонатной системе Чукотского моря//ДАН 1999 Т 364, N 3 С 382-386

16 Семилетов ИП, Савельева НИ, Пипко И.И , Пугач СП [и др ] Долгопериодная изменчивость в системе атмосфера-суша-море в северо-азиатском регионе // Климатическая и межгодовая изменчивость в системе атмосфера - суша - море в американо-азиатском секторе Арктики труды Арктического регионального центра / ред ВФ Козлов Владивосток Изд-воДВГУ, 1998 Т 1 С 43-64

17 Варламов С М , Лучин В А, Семилетов И П, Пипко И.И [и др ] Закономерности межгодовой изменчивости зимних климатических условий в Беринговоморском регионе // Климатическая и межгодовая изменчивость в системе атмосфера-суша-море в американо-азиатском секторе Арктики труды Арктического регионального центра / ред В Ф Козлов Владивосток Изд-во ДВГУ, 1998 Т 1 С 65-84

18 Киселев В И , Семилетов И П , Пипко И.И [и др ] Об изотопном составе органического углерода в донных осадках морей Восточной Арктики // Климатическая и межгодовая изменчивость в системе атмосфера-суша-море в американо-азиатском секторе Арктики труды Арктического регионального центра / ред В Ф Козлов Владивосток Изд-во ДВГУ, 1998 Т 1 С 121-126

19 Семилетов ИП, Пипко И.И., Пугач СП Глобальное потепление и цикл углерода в Арктике // Климатическая и межгодовая изменчивость в системе атмосфера-суша-море в американо-азиатском секторе Арктики' Труды Арктического регионального центра / ред. ВФ Козлов Владивосток Изд-воДВГУ, 1998 Т 1 С 191-194.

20 Semiletov IР , Pipko LL, Pivovarov N Ya [et al ] Atmospheric carbon emission from North Asian Lakes a factor of global significance // Atmospheric Environment 1996 Vol 30, N 10/11 P 1657-1671

21 Семилетов И П, Пивоваров H Я , Пипко И.И. [и др ] О динамике растворенных СШ и СОз в дельте реки Лены и море Лаптевых // ДАН 1996 Т 350, N3 С 406-409.

22 Семилетов И П, Пипко И.И., Никитин А Ю Двуокись углерода в поверхностных водах в Южном океане Индийский и Атлантический сектор// ДАН 1995 Т 342, N 3 С 393397

23 Семилетов И П , Харламов Ю М , Мягких А И , Никитин А Ю , Пипко И.И Космическое излучение как фактор стока атмосферного COj//ДАН 1994 Т 334, N4 С 512-514

24 Витенберг А Г, Поздняков Н В , Маевский Г А, Пипко И.И. Определение газов, растворенных в морской воде, методом статического парофазного газохроматографического анализа//Журнал аналитической химии 1991 Т 46, вып. 2 С. 361-369

25 Семилетов И П, Пипко И.И. Мезомасштабные пространственно-временные вариации СОз в системе океан-атмосфера зона субарктического фронта в Тихом океане // Океанология 1991 Т 31, N1 С 84-91

Пипко Ирина Ивановна

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВ КАРБОНАТНОЙ СИСТЕМЫ В ПРИБРЕЖНО-ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНЕ МОРЕЙ ВОСТОЧНОЙ АРКТИКИ

Автореферат

Подписано к печати 17 05 2005 Тираж 100 экз

Заказ 48

Отпечатано в ТОЙ ДВО РАН 690041, г Владивосток, ул Балтийская, 43

____PI 3 5

РНБ Русский фоьд

2006-4 11292

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Пипко, Ирина Ивановна

Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы

1.1 Район исследований

1.1.1 Система река Лена - море Лаптевых

1.1.2 Чукотское море

1.1.3 Восточно-Сибирское море

1.2 Карбонатная система природных вод

1.2.1. Теория карбонатной системы

1.2.2. Методы определения параметров карбонатной системы

1.2.3. Методы расчета элементов карбонатной системы

1.3 Изученность карбонатной системы вод арктических морей

Глава 2. Материалы и методы исследований

2.1 Материалы исследований

2.2 Методы исследований

2.3 Методы расчета

Глава 3. Изменчивость параметров карбонатной системы в реке Лене - море

Лаптевых

3.1 Динамика параметров карбонатной системы и цикл углерода в речных водах

3.2 Карбонатная система вод юго-восточной части моря Лаптевых

3.3 Потоки СОг в системе океан-атмосфера

3.4 Выводы

Глава 4. Изменчивость параметров карбонатной системы на шельфе Чукотского моря

4.1 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в восточной части Чукотского моря

4.1.1 Биологический фактор

4.1.2 Температурный фактор

4.2 Временная мезомасштабная изменчивость параметров карбонатной системы в восточной части Чукотского моря

4.2.1 Берингов пролив

4.2.2 Южная часть меридионального разреза (66,00 - 68,33°ш.)

4.3 Потоки СОг между океаном и атмосферой в восточной части Чукотского моря

4.4 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в западной части Чукотского моря

4.5 Сравнение межгодовой и мезомасштабной изменчивости параметров карбонатной системы в южной части Чукотского моря

4.6 Межгодовая изменчивость потоков ССЬ в системе океан-атмосфера

4.7 Выводы

Глава 5. Изменчивость параметров карбонатной системы в прибрежной зоне

Восточно-Сибирского моря ]

5.1 Пространственная динамика параметров карбонатной системы вод Восточно-Сибирского моря

5.1.1 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2000 г.

5.1.2 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2003 г.

5.1.3 Пространственная изменчивость параметров карбонатной системы в сентябре 2004 г.

5.2 Потоки СОг в системе океан-атмосфера

5.2.1 Потоки СО2 между океаном и атмосферой в сентябре 2003 г.

5.2.2 Потоки СО2 между океаном и атмосферой в сентябре 2004 г.

5.3 Межгодовая изменчивость параметров карбонатной системы вод Восточно-Сибирского моря и потоков СО2 в системе океан-атмосфера

5.4 Выводы 124 Заключение 126 Литература

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Изменчивость параметров карбонатной системы в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики"

Актуальность работы

В последние десятилетия научная общественность активно ведет дискуссию о так называемом «парниковом эффекте» и связанных с ним климатических изменениях. Среди «парниковых газов» (двуокись углерода, водяной пар, метан, оксид азота, озон), поглощающих инфракрасную часть солнечной радиации и играющих определяющую роль в формировании климата Земли, углекислый газ является важнейшим. При отсутствии этих газов в атмосфере температура земной поверхности могла бы быть на 30°С ниже (Graedel and Crutzen, 1993).

Изменения концентрации СОг в атмосфере определяются естественной природной цикличностью. Но в последние столетия наблюдается ее резкое увеличение (Keeling and Whorf, 2004), обусловленное деятельностью человека. Эмиссия антропогенного СОг, вызванная сжиганием ископаемого топлива и уничтожением лесов, увеличила «прединдустриальную» концентрацию СОг в атмосфере от 280 мкатм до 370 мкатм. Ежегодное поступление антропогенного СОг в атмосферу составляет 7 Рг (1 Рг= 1015 г) С ; из них приблизительно 3 Рг С накапливается в атмосфере, а оставшиеся 4 Рг абсорбируются наземными экосистемами и океаном (Feely et al., 2001). Антропогенная составляющая роста СОг в атмосфере накладывается на естественную климатическую изменчивость в содержании этого газа, характерную для межледниковых эпох, что приводит к нарушению природного цикла углерода и проявляется в виде глобального потепления климата. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос о механизме формирования планетарного максимума СОг в атмосфере, который находится не над средними широтами Северного полушария, где наблюдается максимальная антропогенная активность, а смещен в зону Арктики/Субарктики (Prinn, 1994). Наибольшие сезонные амплитуды концентраций углекислого газа обнаружены в атмосфере Арктики (Keeling and Whorf, 2004,), что показывает важную роль функционирования северных экосистем в региональном балансе углерода (рис. 1).

И если роль наземных экосистем высоких широт как значимых поставщиков СОг в атмосферу достоверно установлена (Zimov et al., 1993), то вклад арктических морей и Северного Ледовитого океана в целом остается неисследованным.

Как известно, существуют только три резервуара со скоростями обмена, достаточно высокими для обнаружения изменчивости в шкале от десятилетий до веков - атмосфера (730 Рг С), наземная биосфера (2000 Рг С) и океан (38000 Рг С) (Prentice et al. 2001). Приблизительно 93% углерода находится в океане, который способен содержать в себе I i I i I i I i I i | i П В № м м и w а) мыс Барроу, Аляска; б) мыс Кумукаши, Гавайи; в) Южный полюс

Рисунок I - Сезонные амплитуды концентраций атмосферного С02 (по ланным Keeling and

Whorf, 2004) значительно больше углерода, чем любой другой резервуар. Это связано с тем, что основная часть СО:, которая диффундирует в океан, реагирует с морской водой, образуя угольную кислоту и продукты ее диссоциации - карбонат- и бикарбонат- ионы, что составляет карбонатную систему морской воды. Принято считать, что Мировой океан - основной потенциальный резервуар для стока «избыточного» С02 (Бородовский и Маккавеев, 1991; Ляхин, 1982; Ляхин и Русанов, 1983; Рее1у с1 а!., 2001). Средняя величина парциального давления СО; в поверхностных водах приблизительно на 7 мкатм ниже атмосферного, что является основной движущей силой поглощения океаном углекислого газа (Рее1у е1 аЦ 2001).

В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что арктический регион наиболее чувствителен к глобальным изменениям, но в то же время стоки и источники парниковых газов в морях Северного Ледовитого океана (СЛО) не изучены и обмен СОг между океаном и атмосферой в Арктике практически игнорируется (ТакаЬазЫ & а!., 1997, 2002; Рее1у е! а!., 2001). Выполненные до настоящего времени оценки потоков С02 в системе океан-атмосфера для Восточной Арктики основывались на расчетах, проведенных с большой степенью осреднения (Ляхин и Русанов, 1983; ТаЫшзЫ е! а1., 1997), что внесло существенные погрешности в получаемые величины.

Шельфовые арктические моря, занимающие 70% акватории СЛО, в летний период благодаря сезонной продуктивности и низкой температуре воды являются потенциальными резервуарами для избыточного атмосферного С02. В то же время результаты наших исследований показывают значительное пересыщение поверхностных вод углекислым газом относительно атмосферы в некоторых прибрежных районах СЛО,

Карбонатная система {растворенный в воде углекислый газ, находящийся в равновесии с угольной кислотой и продуктами ее диссоциации) является основной буферной системой океана. Отражая процессы, происходящие в живой и неживой части океана, она в то же время влияет на многие химические равновесия, формы нахождения и миграцию элементов, протекание геохимических и биологических процессов, а также направление и величину потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера. Детальное исследование динамики параметров карбонатной системы морей Восточной Арктики и определяющих ее процессов позволит выявить особенности регионального цикла углерода и понять механизм формирования атмосферного максимума СОг и его сезонной изменчивости, а также оценить морские акватории с точки зрения возможных источников или стоков для атмосферного СОг.

Цель работы

Целью работы является исследование особенностей динамики карбонатной системы и оценка потоков СОг между океаном и атмосферой в прибрежно-шельфовой зоне морей Восточной Арктики в летне-осенний сезон.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

- исследование методических основ карбонатной системы;

- исследование региональных особенностей поведения карбонатной системы;

- выявление процессов, контролирующих изменчивость карбонатных параметров в морях Восточной Арктики;

-исследование карбонатного равновесия в речных водах (на примере р. Лены);

- проведение количественной оценки потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера для исследуемых морей в летне-осенний сезон.

Изучались три района шельфа Северного Ледовитого океана: 1) юго-восточная часть моря Лаптевых, гидрологический и гидрохимический режим которого определяется в большой степени влиянием речного стока (главным образом, реки Лены), 2) шельф Чукотского моря, чей режим определяется притоком тихоокеанских вод и 3) прибрежная часть Восточно-Сибирского моря, занимающего «транзитное положение» между этими морями, гидрологический режим которого определяется, главным образом, взаимодействием вод морей Лаптевых и Чукотского.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность результатов определяется современным уровнем применявшегося аналитического оборудования и методов анализа, тщательным выбором используемых констант диссоциации угольной кислоты и алгоритмов расчета. Полученные выводы не противоречат результатам и выводам других авторов, сделанным на основе анализа экспериментальных данных.

Научная новизна результатов

Динамика параметров карбонатной системы в морях Восточной Арктики ранее не изучалась. Поэтому наши многолетние исследования динамики КС в морях Лаптевых (1997,

1999, 2000 гг.), Чукотском (1996, 2000, 2002 гг.) и Восточно-Сибирском (2000, 2003, 2004 гг.) и определяющих ее процессов дают первое представление о миграции неорганического углерода и обмене СОг с атмосферой в регионе Восточной Арктики. В процессе работы были внедрены новые модификации методов исследования КС: парофазный статический и 'ф динамический газохроматографический анализ с конверсией углекислого газа до метана в потоке водорода на Ni-катализаторе (Витенберг и др, 1991; Семилетов, 1992); измерение рН с использованием ячейки безжидкостного соединения (метод разработан в ТОЙ ДВО РАН П.Я. Тищенко с коллегами (Тищенко и др., 2001)); мембранный сенсор SAMI-CO2 для определения величины рСОг in situ (со спектрофотометрическим аналитическим окончанием). Это позволило впервые на современном уровне исследовать динамику КС в этом наименее изученном регионе, где изменения природной среды под воздействием глобального потепления наиболее значимы. Также нами впервые в регионе проводились прямые измерения СОг в воздухе, что позволило более корректно оценивать обмен СОг между океаном и атмосферой. Нами впервые выполнены количественные оценки потоков углекислого газа в системе океан-атмосфера в Восточной Арктике на основе измерений параметров карбонатной системы морской воды и содержания СОг в приводном слое атмосферы. Ранее расчеты потоков углекислого газа для арктических морей выполнялись ** только на основе оценки кислородного баланса (Иваненков, 1985; Ляхин, 1982) или исходя из математической обработки данных, накопленных для акваторий, смежных с арктическими морями (Takahashi et al., 1997).

Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях и представлением докладов на отечественных и международных конференциях, а также положительной экспертной оценкой на конкурсах Российского Фонда Фундаментальных Исследований (1999-2005 гг.).

Практическое значение работы

Результатом этой работы является вьивление источников/стоков СОг в арктических морях, исследование влияния мезомасштабной и межгодовой изменчивости параметров КС на направление и интенсивность потоков углекислого газа между океаном и атмосферой, миграции неорганического углерода в системе суша-шельф, что необходимо для оценки to роли морей Восточной Арктики в балансе атмосферного СОг и создания более достоверного сценария изменения климата.

Защищаемые положения

Воды реки Лены являются источником углекислого газа в атмосферу в летне-осенний сезон.

- Юго-восточная часть моря Лаптевых, подверженная влиянию речного стока и термоабразии берегов, является источником СОг в атмосферу.

- Шельфовые воды Чукотского моря, находящегося под влиянием трансформированных тихоокеанских вод, поглощают атмосферный СОг

- Западная часть прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря является источником СОг в атмосферу, а восточная - стоком для атмосферного СОг. Направление потока СОг через границу океан-атмосфера меняется в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров между распресненной шельфовой и трансформированной тихоокеанской водами.

Апробация работы

Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на международных и российских конференциях, важнейшими из которых являются: международная арктическая конференция «Научные мосты между Северной Америкой и российским Дальним Востоком» (Владивосток, 1994); 21я* генеральная Ассамблея IAPSO (США, 1995); конференции AGU (США, 1996; 1998; 2004); объединенная Ассамблея IAMAS/IAPSO (Австралия, 1997); международные конференции PICES (США, 1998; Владивосток, 1999; Канада, 2001); 5ое Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству по исследованию системы река Лена - море Лаптевых (Санкт-Петербург, 1999); 13м Международная школа морской геологии (Москва, 1999); 2ое совещание «Экология пойм сибирских рек и Арктики» (Томск, 2000); 2м конференция Wadati по изучению изменения полярного климата (Япония, 2001); международное Рабочее совещание по изучению Глобальных изменений на Дальнем Востоке (Владивосток, 2002); международная научная конференция по программе ACSYS (Санкт-Петербург, 2003); 4°® международное заседание рабочей группы по программе исследования глобальных изменений в Арктике - GCCA (Япония, 2003); 5ое рабочее совещание по проекту Arctic Coastal Dynamics (ACD, Канада, 2004). По материалам диссертационной работы в декабре 2003 г. проведен семинар в Международном научном арктическом центре Университета Аляска, Фэрбанкс.

Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 47 печатных работах.

Фактический материал

Данная работа выполнялась в рамках национальных проектов РФФИ, ФЦП «Мировой океан» и «Интеграция», Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (программа № 13 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы»), международных проектов Национального Научного Фонда США (Ы8Б). В диссертации использованы результаты научных экспедиций по р. Лене (сентябрь 1995, 1998, 1999 гг.), в море Лаптевых (сентябрь 1997, 1999 и 2000 гг.); в Чукотское море (сентябрь 1996, 2000 гг.; конец августа - начало сентября 2002 г.), в Восточно-Сибирское море (сентябрь 2000, 2003 и 2004 гг.).

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 142 страницах, включая список литературы из 192 наименований, 53 иллюстрации, 9 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Пипко, Ирина Ивановна

5.4 Выводы

В результате анализа данных экспедиций на ГС «Иван Киреев» (сентябрь 2003 г. и

2004 г.) и ГС «Николай Коломейцев» (сентябрь 2000 г.) было установлено, что:

- характерной особенностью в распределении парциального давления двуокиси углерода в прибрежных поверхностных водах ВСМ является снижение величин рС02 с запада на восток со значительными пространственными флуктуациями, связанными с зонами максимального влияниея речных вод и эрозионным сигналом;

- динамика параметров карбонатной системы вод ВСМ определялась интенсивностью распространения на морской акватории вод различного генезиса, обусловленной изменчивостью атмосферной циркуляции, а также величиной речного стока и особенностями ледового режима;

- более значимое пересыщение поверхностных вод ВСМ углекислым газом в 2004 г. по сравнению с 2003 г. определялось увеличением расхода рек и высокими скоростями поступления эрозионного материала;

- в сентябре 2003 и 2004 гг. изменение направления потока С02 между океаном и атмосферой происходило в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров, характеризующих смешивающиеся воды (распреснеиную шельфовую воду западной части Восточно-Сибирского моря (источник СОг) и трансформированную тихоокеанскую (сток СОг)).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общие черты гидрологического и гидрохимического режима прибрежно-шельфовой зоны морей Восточной Арктики (юго-восточная часть моря Лаптевых, прибрежная зона Восточно-Сибирского моря и шельф Чукотского моря) обусловлены широтным положением, которое приводит к слабой инсоляции и существованию ледового покрова в большую часть года. Главные же различия связаны с преимущественным влиянием на их режим трансформированных тихоокеанских вод (Чукотское море/восточная часть ВосточноСибирского моря) или стока сибирских рек и термоабразии побережья (юго-восточная часть моря Лаптевых/западная часть Восточно-Сибирского моря).

Проведенное исследование позволило выявить характерные особенности распределения параметров карбонатной системы в прибрежно-шельфовой зоне этих морей в летне-осенний сезон, главной из которых является уменьшение величин парциального давления углекислого газа в поверхностных водах с запада на восток исследуемого региона и переход от пересыщения вод С02 относительно его содержания в атмосфере в море Лаптевых к недосыщению в Чукотском море.

В результате выполненного исследования получены следующие основные выводы:

1. Установлено, что воды реки Лены в летне-осенний сезон являются поставщиком СОг в атмосферу, а также важным источником углерода (в минеральной и органической формах) в море Лаптевых и в Северный Ледовитый океан в целом. Межгодовая динамика параметров карбонатной системы вод зависит от величины речного стока.

2. На основе совместного анализа динамики карбонатной системы и океанологических параметров исследуемая акватория морей Восточной Арктики разделена на два характерных района:

- юго-восточную часть моря Лаптевых/западную часть Восточно-Сибирского моря, находящиеся под влиянием речного стока и термоабразии побережья (высокие значения рС02 и низкие величины рН, Ст, Ат);

- Чукотское море/восточную часть Восточно-Сибирского моря, где доминируют трансформированные высокопродуктивные тихоокеанские воды (низкие значения рС02 и высокие величины рН, Ст и Ат).

3. Установлено, что прибрежно-шельфовая зона арктических морей в летне-осенний сезон может являться как источником, так и стоком для атмосферного С02. На основе измерений параметров карбонатной системы рассчитаны потоки С02 через границу океан-атмосфера. Показано, что:

- акватория юго-восточной части моря Лаптевых является поставщиком С02 в атмосферу, средняя величина эвазии углекислого газа составляет 4,8 ммоль м^сутки"1;

- акватория Чукотского моря является значимым региональным стоком для атмосферного СОг. Величина среднесуточного потока СОг в Чукотское море изменяется от 7,7 до 17,0 ммоль м'2 сутки"1, что более, чем на порядок превышает среднее значение инвазии СОг, характерное для вод Мирового океана;

- прибрежная акватория Восточно-Сибирского моря явлется как источником, так и стоком для атмосферного СОг. При этом осредненный поток углекислого газа направлен в атмосферу и изменяется от 1,0 до 10,9 ммоль м'2 сутки"1;

- изменение направления потока СО2 между океаном и атмосферой в ВосточноСибирском море происходит в области наибольших градиентов гидрологических и гидрохимических параметров между распресненной шельфовой и трансформированной тихоокеанской водами.

Настоящая работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН под научным руководством кандидата географических наук И.П. Семилетова, оказавшего основное влияние на постановку задачи и анализ полученных результатов.

Большое значение имело для автора обсуждение различных аспектов работы с кандидатом химических наук П.Я. Тищенко, научным сотрудником С. П. Пугач, кандидатом геолого-минералогических наук О.В. Дударевым, кандидатом географических наук Н.И. Савельевой, кандидатом географических наук В.А. Лучиным. Всем им автор приносит свою глубокую благодарность.

Автор признателен сотрудникам ТОЙ ДВО РАН Т.И. Волковой, H.A. Середе, кандидату географических наук А.Г. Андрееву, кандидату химических наук Е.Ф. Радаеву, кандидату биологических наук H.H. Бельчевой, выполнявшим измерения параметров карбонатной системы вод арктических морей на разных этапах совместных экспедиционных исследований.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Пипко, Ирина Ивановна, Владивосток

1. Алекин O.A., Ляхин Ю.И. Химия океана. - Л. : Гидрометеоиздат, 1984. - 343 с.

2. Антонов B.C. Распространение речных вод в арктических морях // Труды ААНИИ. 1957. Т. 208, №2. С. 25-52.

3. Антонов B.C., Морозова В.Я. Суммарный материковый сток в Арктические моря // Труды ААНИИ. 1957. Т. 208, № 2. С. 13-52.

4. Антонов B.C. Устьевая область реки Лены. Л. : Гидрометеоиздат, 1967. - 107 с.

5. Белышева Е.В. Щелочной резерв моря Лаптевых // Труды ААНИИ. 1966. Т. 269. С. 2837.

6. Бордовский O.K., Маккавеев П.Н. Обмен СОг с атмосферой и баланс углерода в Тихом океане //ДАН. 1991. Т. 320, № 6. С. 1470-1474.

7. Бордовский O.K., Маккавеев П.Н., Бубнов П.В. Проблема изменчивости карбонатного равновесия в океане // Химия морей и океанов / ред. O.K. Бордовский, А.Г. Розанов. М. : Наука, 1995. С. 92-111.

8. Бруевич C.B. Инструкция по производству химических исследований морской воды. -М. : Изд-во Главсевморпути, 1944. 83 с.

9. Ведерников В.И., Демидов А.Б., Судьбин А.И. Первичная продукция и хлорофилл в Карском море в сентябре 1993 г. // Океанология. 1994. Т. 34, № 5. С. 693-703.

10. Виноградов М.Е., Ведерников В.И., Романкевич Е.А., Ветров A.A. Компоненты цикла углерода в арктических морях России. Первичная продукция и поток СорГ из фотического слоя // Океанология. 2000. Т. 40, № 2. С. 221-233.

11. Витенберг А.Г., Поздняков Н.В., Маевский Г.А., Пипко И.И. Определение газов, растворенных в морской воде, методом статического парофазного газохроматографического анализа // Журнал аналитической химии. 1991. Т. 46, вып. 2. С. 361-369.

12. Григорьев М.Н. Криоморфогенез устьевой области р. Лены. Якутск : Институт мерзлотоведения, 1993. - 174 с.

13. Григорьев М.Н., Куницкий В.В. Ледовый комплекс Арктического побережья Якутии как источник наносов на шельфе // Гидрометеорологические и биогеохимические15.